不同拘束条件低合金钢断裂韧性及局部法的研究

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随着低合金钢在许多大型工程结构(压力容器、储罐设备、桥梁等)中的广泛应用,对其进行结构完整性分析显得尤为重要。目前,常采用一种基于概率统计和最薄弱环节理论的局部法对材料的断裂行为进行预测和评估。参数的准确性影响着局部法预测的精度。从高拘束试样得到的断裂韧性值通常是一个保守值,容易造成资源的浪费。而实际工程结构中的裂纹往往具有不同的几何尺寸(缺口根部半径不同或裂纹深浅不同),从而改变了裂纹末端所处的拘束状态,对断裂韧性值造成一定的影响,从而对局部法参数有一定的影响。所以,关于局部法参数对试样几何尺寸的依赖性的研究就显得尤为必要。本论文以低合金高强钢Q390为研究对象,主要研究内容如下所述:(1)对Q390钢进行Charpy冲击试验。使用Bohzmann函数拟合试验数据,得到冲击吸收功随温度关系曲线。结合Q390钢工作的实际工况温度和局部法模型的适用范围,最终确定本论文的研究温度-60℃。使用SEM对-60℃冲击试样断口观察分析,具有明显的解理特征。该曲线为后续确定主曲线公式的参考温度T0提供数据基础;对室温条件下尺寸为ρ=0.4mm,a/W=0.9的非标准CT试样进行断裂韧性试验,得到相应载荷-位移曲线,三组实验数据分散性较小,可用于后续仿真模型的验证。(2)选择Cohsive模型对不同尺寸CT试样的紧凑拉伸试验进行数值模拟。首先确定Cohesive模型的三个参数;将尺寸为ρ=0.4mm,a/W =0.9的CT试样数值模拟结果与试验进行对比,最大载荷误差为4.32%,说明了 Cohesive模型的可靠性;分析不同拘束条件对紧凑拉伸试验最大载荷和表观断裂韧性的影响。结果发现随着ρ的增大,Pmax也随之增加,呈线性关系;随着a/W的增大,Pmax逐渐降低,最终收敛至一点。随着ρ的减小,KI,app呈下降趋势,下降趋势逐渐减小,最后渐进为一条水平的直线,达到KIc处于平面应变状态。随着韧带长度b的增加(即裂纹变短),KI,app随之增加。(3)选择基于主曲线的局部法参数标定方法;确定Q390主曲线参考温度T0=-41℃并对其进行验证;基于Monte Carlo思想结合主曲线理论利用MATLAB生成大量断裂韧性数据;利用前文的仿真结果建立断裂韧性与威布尔应力之间的函数关系;经过拟合和迭代求解得到不同拘束条件试样标定的局部法参数;分析不同ρ和a/W对局部法模型参数的影响。
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